钛合金材料在舰船铸件上的应用研究

引言

钛是一种耐湿氯气腐蚀的金属材料，本身的质量较轻，且比强度较高，是一种很适合用在舰船、航空、医疗、汽车等领域的材料，但由于其提取过程对设备和环境的要求较高，且易被空气氧化而不用保存，这诸多的原因造成了钛的生产成本较高，对于工业化应用的材料而言，成本的高低在一定程度上可以决定金属材料的应用范围。钛就属于这种由于生产成本较高而使用范围受到限制的金属。国际上很多国家都加入到了对钛合金的推广应用中，不仅包括对钛合金研究较早的俄罗斯、美国等，中国、日本也在如何扩大钛合金的应用领域方面做了大量的研究。钛合金是一种扬长避短的战略技术。

随着技术的发展，钛合金铸造工艺也不断提升，钛合金铸件的需求和应用范围也随之得到不断的扩大，钛合金铸件的类型由最初简单的厚壁铸件往薄壁化、大型化、复杂化的方向发展 [1] ，如何铸造出机械性能良好、铸造成型后易于处理的铸件将是未来钛合金铸件的研究方向。钛合金具有良好的耐腐蚀性，钛合金铸件在流动的海水中也具有良好的耐冲击腐蚀性，所以是舰船铸件的理想材料。钛合金在舰船及海洋运输行业中都有应用，主要集中在推进器轴、泵、阀门和其他的附件，这些以钛合金材料的铸件，不仅有优异的力学性能，且结构性能好，还具有耐腐蚀性，能满足舰船长期在水中和潮湿环境中对其自身结构材料的要求。钛合金铸件有比较长的生命周期，相应的船的维修费用降低，船的使用期限变长，有很大的经济价值。因此研究如何制得性能更优异的钛合金铸件依然是现在和未来的热点和趋势。

本文以钛合金铸造的泵为例，通过对钛合金浇注前后化学成分的对比和室温下力学性能的对比，来研究钛合金材料在舰船铸件上的应用。

1、钛合金铸件的性能

1.1 常用钛合金铸件的力学性能

钛作为一种金属，它的质量较轻，钛及常规钛合金的密度也较小，大概为 4.5 g/cm 3 ，造船所使用的钛一般为工业纯钛、钛铝合金及钛铝钒合金等，不同合金的力学性能也有较大差异，表 1 为几种钛合金的力学性能比较 [2] 。

1.2 以 ZTi2 为材料制造舰船泵

对钛研究较早的国家是俄罗斯，在研究初期，钛主要应用在飞机上，可以作为飞机的发动机组件和机翼等，但由于钛的成本较高，在一定程度上限制了钛的应用。钛合金的出现实现了钛更广泛应用的设想，随着研究的深入，钛合金也慢慢地被应用在舰船上。

铸造技术的进步，也更进一步推进了钛合金的发展，通过合适的铸造工艺，钛合金可以被铸造成薄壁、结构较为复杂的组件。现在钛合金铸件在现在舰船、飞机及其他设备零部件上都有应用，常用的钛合金铸件如图 1 所示。

由于钛合金优良的耐腐蚀性能和力学性能，钛合金可以按生产的实际需求被加工成满足需求的各种的形状的铸件。泵在机械装备中，都是极其重要的动力源泉，舰船作为一种大型的设备，更要求其动力设备有较好的寿命和质量。钛合金在舰船上的最主要的应用之一就是制造钛合金泵体。本文以 ZTA2 为材料加工钛合金泵体。

选定材料后，根据要成型的铸件的尺寸和结构特征选择合适的浇注系统对铸件的成型和质量也具有非常重要的影响。本文选择的浇注系统为底注开放式，浇道包括直浇道和横浇道，直浇道的半径为 30 mm，横浇道的横截面为 40 mm 的正方形。根据要铸造的泵

的造型，通过设计图纸、选择材料设计生产出合适的铸型，本文选择石墨材质铸型。整个浇铸系统要在真空环境下进行。在浇注之前，在真空环境中将铸型加热到 1 000 ℃下，并在此温度下保留 3 h。所有的浇注完成后，将铸件在熔炉中自然冷却 3 h，在温度冷却至 250 ℃时将铸件取出，此时根据需求还可以对铸件进行打磨等工艺，实现小的微调。经过处理后，得到的铸件尺寸和需求的一致，能完美的满足需求。

对铸件泵进行力学性能的测试，同时对 ZTA2 浇铸前的试样和浇注后的随炉铸件在室温下按国标的方法进行化学成分和力学性能的测试，在化学成分的测试中，Ti 的含量在铸件和基材中的一样，并没有在浇铸过程中损失，其他元素的测试的数据和力学性能数据分别如表 2 和表 3 所示。

从表 2 的数据可看出，浇铸成型后的铸件中的Si，Fe，Mn，C，N 等元素的含量都大量的降低，其中 Si，Fe，Mn 是 ZTi2 的主要成分，C，N 含量的减少降低了铸件的脆性，保证铸件具有更好的性能。N、C 是 ZTi2 中的杂质组分，其含量的减少说明在浇铸过程中，基材的质量得到提升。

表 3 中的力学性能数据说明，浇注成型的铸件泵的力学性能与基材相比，力学性能都有所提高。我们将表 2 和 GB/T15073-1994《铸造钛及钛合金牌号和化学成分》、将表 3 的数据和 GB/T6614-1994《钛及钛合金铸件》进行对比 [3] ，比较之后发现，我们浇注得到的铸件泵符合标准对铸件的要求。

2、结论

1）钛合金通过浇注工艺，可以制得多种结构的钛合金铸件。

2）钛合金基材通过合理的浇注工艺，可以得到力学性能比基材高的钛合金铸件。

3）通过适当的浇注工艺，可以得到满足国家相关标准的钛合金铸件。

参考文献：

[1] LMAM M A, CHU H P, RATH B B. Fatigue properities of titanium alloy Ti-6Al-2Cb-Ta-0.8Mo [J]. Corrosion Engineering, 1999, 48(9): 597–602.

[2] 范玉利, 钛合金铸件在造船工业中的应用[J]. 舰船科学技术 1997, 19(2).

[3] 胡和平, 杨学东, 郑申清. 钛合金泵体铸造工艺研究 [J]. 材料开发与应用, 2010: 35–37.